Накладные расходы (вычисления)

В информатике конкретной накладные расходы — это любая комбинация избыточного или косвенного времени вычислений, памяти, пропускной способности или других ресурсов, которые необходимы для выполнения задачи . ^[1] Это частный случай инженерных накладных расходов . Накладные расходы могут быть решающим фактором при разработке программного обеспечения в отношении структуры, исправления ошибок и включения функций. Примеры вычислительных затрат можно найти в объектно-ориентированном программировании (ООП), функциональном программировании , ^{[ нужна ссылка ]} передача данных и структуры данных.

Разработка программного обеспечения

Выбор реализации

Программист/инженер-программист может выбирать из нескольких алгоритмов , кодировок , типов данных или структур данных , каждый из которых имеет известные характеристики. При выборе среди них следует также учитывать соответствующие накладные расходы.

Компромиссы

В разработке программного обеспечения накладные расходы могут повлиять на решение о том, включать ли функции в новые продукты или исправлять ошибки. Функция, требующая больших затрат, может быть не включена – или для этого нужен большой финансовый стимул. Часто, даже несмотря на то, что поставщики программного обеспечения хорошо осведомлены об ошибках в своих продуктах, выгода от их исправления не стоит вознаграждения из-за накладных расходов.

Например, неявная структура данных или краткая структура данных могут обеспечить небольшие накладные расходы на пространство, но за счет низкой производительности (компромисс пространства/времени).

Сложность программного обеспечения во время выполнения

Алгоритмическая сложность обычно определяется с использованием нотации Big O. Это не дает комментариев о том, сколько времени требуется для выполнения чего-либо или сколько памяти оно использует, но показывает, как его увеличение зависит от размера входных данных. Накладные расходы намеренно не включаются в этот расчет, поскольку они варьируются от одной машины к другой, тогда как основное время работы алгоритма не меняется.

Это следует противопоставить алгоритмической эффективности , которая учитывает все виды ресурсов — комбинацию (хотя и не тривиальную) сложности и накладных расходов.

Примеры

Компьютерное программирование (время выполнения и вычислительные затраты)

Вызов функции приводит к небольшим накладным расходам во время выполнения. ^[2] Иногда компилятор может минимизировать эти издержки, встроив некоторые из этих вызовов функций . ^[3]

Кэш процессора

В кэше ЦП «размер кэша» (или емкость ) означает, сколько данных хранит кэш . Например, «кеш 4 КБ» — это кеш, содержащий 4 КБ данных. «4 КБ» в этом примере исключают служебные биты , такие как информация о кадре, адресе и теге. ^[4]

Связь (накладные расходы на передачу данных)

Надежная отправка полезных данных по сети связи требует отправки не только самих полезных данных. Это также включает отправку различных данных управления и сигнализации ( TCP ), необходимых для достижения пункта назначения. Это создает так называемые издержки протокола , поскольку дополнительные данные не влияют на внутренний смысл сообщения. ^[5]^[6]

В телефонии набор номера и время установления вызова являются накладными расходами. В двусторонней (но полудуплексной ) радиосвязи использование «over» и других сигналов, необходимых для предотвращения коллизий, является накладными расходами.

Накладные расходы протокола могут быть выражены как процент неприкладных байтов (синхронизация протокола и кадров ), разделенный на общее количество байтов в сообщении.

Кодировки и структуры данных (затраты на размер)

Кодирование . информации и данных также приводит к накладным расходам Дата и время «2011-07-12 07:18:47» могут быть выражены как время Unix с помощью 32-битного со знаком . целого числа 1310447927, занимающий всего 4 байта. Представлено как ISO 8601. в формате UTF-8 в формате строка 2011-07-12 07:18:47 дата будет занимать 19 байт, что на 375% превышает размер двоичного целочисленного представления. В формате XML эту дату можно записать следующим образом с дополнительными 218 символами, добавив при этом семантический контекст, что это CHANGEDATE с индексом 1.

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<datetime qualifier="changedate" index="1">
  <year>2011</year>
  <month>07</month>
  <day>12</day>
  <hour>07</hour>
  <minute>18</minute>
  <second>47</second>
</datetime>

349 байт, полученные из XML в кодировке UTF-8, соответствуют издержкам размера на 8625 % по сравнению с исходным целочисленным представлением.

Файловые системы

Помимо самих файлов, компьютерные файловые системы занимают часть пространства для хранения имен и списков каталогов, имен файлов, расположения секторов файлов, таких атрибутов, как дата и время последней модификации и создания, того, как файлы фрагментированы , записаны. и свободные части места, и журнал на некоторых файловых системах.

Множество небольших файлов создают больше накладных расходов, чем небольшое количество больших файлов.

См. также

Ссылки

^ «Понимание визуализации накладных расходов и задержек в системах NVIDIA Nsight» . Технический блог NVIDIA . 18 сентября 2020 г. Проверено 4 июля 2024 г.
^ «Встроенные функции (C++)» . Microsoft Learn . Майкрософт . Проверено 22 марта 2024 г.
^ Махаффи, Терри (24 июля 2019 г.). «Встраивание решений в Visual Studio» . Блог команды C++ . Майкрософт.
^ Сорин, Дэниел Дж. (2009). «Кэши и иерархии памяти» (PDF) . Проверено 13 марта 2019 г. Презентация к курсу «Архитектура компьютеров».
^ Распространенные проблемы с производительностью сетевых приложений. Часть 1: Интерактивные приложения , Технические статьи по Windows XP, Microsoft
^ Накладные расходы протокола в сетях IP/ATM , Суперкомпьютерный центр Миннесоты

[1] «Понимание визуализации накладных расходов и задержек в системах NVIDIA Nsight» . Технический блог NVIDIA . 18 сентября 2020 г. Проверено 4 июля 2024 г.

[2] «Встроенные функции (C++)» . Microsoft Learn . Майкрософт . Проверено 22 марта 2024 г.

[3] Махаффи, Терри (24 июля 2019 г.). «Встраивание решений в Visual Studio» . Блог команды C++ . Майкрософт.

[4] Сорин, Дэниел Дж. (2009). «Кэши и иерархии памяти» (PDF) . Проверено 13 марта 2019 г. Презентация к курсу «Архитектура компьютеров».

[5] Распространенные проблемы с производительностью сетевых приложений. Часть 1: Интерактивные приложения , Технические статьи по Windows XP, Microsoft

[6] Накладные расходы протокола в сетях IP/ATM , Суперкомпьютерный центр Миннесоты

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]